傅宇楊 李知菲

摘要：將智能機(jī)器人用于大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生掌握智能機(jī)器人的核心技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。本文詳細(xì)論述了用于浙江師范大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)課堂中擬人行走智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)，機(jī)器人基于Arduino控制器，可以進(jìn)行擬人化行走。從后續(xù)教學(xué)應(yīng)用的反饋上證明了，設(shè)計(jì)的機(jī)器人滿足了實(shí)踐教學(xué)要求，達(dá)到了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)；智能機(jī)器人；擬人行走；步態(tài)設(shè)計(jì)；Arduino控制器

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2018）10-0102-03

引言

我國從2009年開始，用工荒和勞動(dòng)力成本上漲的情況頻繁發(fā)生，以勞動(dòng)密集型企業(yè)為主的中國制造業(yè)進(jìn)入發(fā)展的瓶頸期。因此，我國先后發(fā)布了《中國制造2025》《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》等重要文件，明確提出大力發(fā)展智能機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)戰(zhàn)略。有專家預(yù)計(jì)，到2017年我國機(jī)器人的使用量將達(dá)42.8萬臺(tái)，其中工業(yè)機(jī)器人將成為市場主力。

為了響應(yīng)巨大的市場需求，高等院校中的電子、機(jī)械或計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)紛紛開展各種形式的智能機(jī)器人教學(xué)或科研。浙江師范大學(xué)自2013年起在計(jì)算機(jī)專業(yè)為本科生開設(shè)了選修的智能機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)課程（2學(xué)分），筆者從多年的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)擬人機(jī)器人類項(xiàng)目較感興趣。同時(shí)，人形機(jī)器人也是智能機(jī)器人的重要研究形態(tài)之一。因此，我們依托計(jì)算機(jī)專業(yè)的虛擬現(xiàn)實(shí)與動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行了擬人機(jī)器人開發(fā)，建立了機(jī)器人步態(tài)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人擬人化行走，并將此智能機(jī)器人用于本科生的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，取得了不錯(cuò)的效果。

擬人行走智能機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

本文的研究對(duì)象參考了哈爾濱石油學(xué)院的17個(gè)舵機(jī)機(jī)器人[1]，因此它也是一個(gè)搭載了17個(gè)LD-2015數(shù)字舵機(jī)的雙足仿人機(jī)器人。與傳統(tǒng)的模擬舵機(jī)相比，數(shù)字舵機(jī)的控制精度和響應(yīng)速度更加具有優(yōu)勢。該數(shù)字舵機(jī)可產(chǎn)生15kg的扭力，因此可滿足機(jī)器人行走的需要。機(jī)器人組裝使用的都是一體化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)支架一體成型，使機(jī)器人更加堅(jiān)固，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高。其總體結(jié)構(gòu)如下頁圖1所示。

機(jī)器人步態(tài)模型的建立和行走設(shè)計(jì)

根據(jù)人行走的實(shí)際情況，結(jié)合所研究的機(jī)器人，我們定義了下肢各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)的角度范圍，防止機(jī)器人下肢各個(gè)關(guān)節(jié)處的舵機(jī)干擾。所設(shè)置的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍[2]見下頁表，在橫向平面內(nèi)向外為負(fù)，在縱向平面內(nèi)向后為負(fù)。

為了方便對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，我們只保留關(guān)節(jié)以及連接關(guān)節(jié)的連桿，圖2是其示意圖。[3]

為了建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，我們以髖關(guān)節(jié)為原點(diǎn)形成主坐標(biāo)系。接著再分別以膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)為原點(diǎn)，建立右手坐標(biāo)系，采用D-H方法[4]建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。假設(shè)髖關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)保持在一定的水平面上，忽略其在垂直高度上的變化。機(jī)器人在髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的連接有一個(gè)固定的夾角，我們?nèi)∑鋬烧叩闹本€距離l0=50，而膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)的距離l1=40。圖3為擺動(dòng)腿的坐標(biāo)圖。

由擺動(dòng)腿的坐標(biāo)圖可以發(fā)現(xiàn)，其主要是繞X軸旋轉(zhuǎn)，而其旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

根據(jù)所建立的擺動(dòng)腿坐標(biāo)系圖，得膝關(guān)節(jié)的位置矩陣為：

故其D-H矩陣如下：

再從膝關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié)，主要也是繞X軸旋轉(zhuǎn)，故其旋轉(zhuǎn)矩陣不變，而踝關(guān)節(jié)的位置矩陣為：

故其D-H矩陣如下：

由以上可得：

根據(jù)D-H矩陣的特性，由其中的位置矩陣可得，腳踝關(guān)節(jié)在基坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：

機(jī)器人行走的步態(tài)設(shè)計(jì)[5]就是機(jī)器人的每條腿按照設(shè)定的順序，進(jìn)行角度變化的過程。然后，每條腿不斷循環(huán)設(shè)定好的步態(tài)，也就實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)。為此，我們根據(jù)人類的行走特點(diǎn)，再結(jié)合機(jī)器人的特點(diǎn)，將步態(tài)設(shè)計(jì)為以下幾個(gè)主要?jiǎng)幼鳎?/p>

首先，左腳腳踝關(guān)節(jié)在橫向平面內(nèi)往外傾，使得重心左移，為下一步的左腳單腳支撐身體做準(zhǔn)備；

接著，右腳大腿抬起，小腿也在縱向平面內(nèi)往前移動(dòng)，致使右腳的重心在縱向平面內(nèi)往前移動(dòng)；

然后，左腳髖關(guān)節(jié)在縱向平面內(nèi)進(jìn)行俯仰，使得上半身往前微傾，從而使得上半身的重心也向前移動(dòng)；

此時(shí)，機(jī)器人身體的大部分重心基本已經(jīng)完成了向前移動(dòng)，緊接著，我們恢復(fù)左腳腳踝關(guān)節(jié)在橫向平面內(nèi)原來的角度，使得右腳重新落地，至此，我們已經(jīng)完成一只腳的步態(tài)設(shè)計(jì)。

在步態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，我們假設(shè)機(jī)器人前行的平面為縱向平面，而機(jī)器人的橫向移動(dòng)則是在橫向平面。

機(jī)器人穩(wěn)定性驗(yàn)證

機(jī)器人行走時(shí)，最重要的就是單腳支撐整個(gè)身體時(shí)，是否能保持整個(gè)多自由度系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，我們進(jìn)行了踝扭矩的計(jì)算，用以判斷在該情況下單腳的踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)角度能否保持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。根據(jù)運(yùn)動(dòng)中的情況，我們可以計(jì)算單腳踝關(guān)節(jié)承受的最大扭矩，用以判斷舵機(jī)有無過載。對(duì)此，我們進(jìn)行如下模型簡化及假設(shè)。

假設(shè)踝關(guān)節(jié)的滾動(dòng)角度為θ，而模型的總重則簡化為圖4所示的三部分。關(guān)于O點(diǎn)的扭矩如下：

根據(jù)上述⑧式和⑨式，我們就可以計(jì)算出單腳支撐時(shí)，腳踝關(guān)節(jié)的扭矩，從而知道該處舵機(jī)負(fù)載。如果計(jì)算所得的扭矩超過舵機(jī)額定負(fù)載，則需要重新設(shè)定關(guān)節(jié)舵機(jī)的角度，防止因過大負(fù)載而造成舵機(jī)不可修復(fù)的損壞。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)所建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，我們得到機(jī)器人行走時(shí)，擺動(dòng)腿在基坐標(biāo)系的各個(gè)位置，再根據(jù)腳踝扭矩計(jì)算，用以判斷自己所設(shè)計(jì)的各個(gè)關(guān)節(jié)角度序列是否滿足穩(wěn)定的要求，這樣就避免了不斷重復(fù)試驗(yàn)各個(gè)關(guān)節(jié)的角度調(diào)節(jié)，使得舵機(jī)損壞。

根據(jù)上述建立的模型以及穩(wěn)定性驗(yàn)證，我們得到了部分舵機(jī)所轉(zhuǎn)過角度的動(dòng)作序列（如圖5）。

結(jié)束語

我們在建立了機(jī)器人行走的步態(tài)模型后，基于Arduino控制器完成了擬人機(jī)器人的開發(fā)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行了擬人行走的穩(wěn)定性驗(yàn)證。開發(fā)的機(jī)器人用于創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐，選修該課程項(xiàng)目的學(xué)生在利用所開發(fā)的機(jī)器人完成擬人化機(jī)器人行走動(dòng)作設(shè)計(jì)及編程實(shí)現(xiàn)后，在一定程度上獲得了成就感，更加有熱情投入到項(xiàng)目中的學(xué)習(xí)，為以后開發(fā)出機(jī)器人更多動(dòng)作序列提供了可能性。本文的研究也為學(xué)生將機(jī)器人技術(shù)帶到工業(yè)或者生活上，以及以后的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)[6]開拓了新的思路。

參考文獻(xiàn)：

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[5]魏君.基于ARM小型雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2016.

[6]吳振宇，劉禹彤，馮林.機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系改革探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（6）：192-195.

作者簡介：傅宇楊，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人、自然人機(jī)交互；李知菲，男，講師，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)與動(dòng)作捕捉、智能機(jī)器人、深度學(xué)習(xí)。

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：201510345012）。